光电探测器简介

在光电系统中，光电探测器扮演了非常重要的作用。它就好比光电系统的“眼睛”，对外来的光信号进行测量，并转换为电信号用于后续的信号处理。本片笔记中，笔者调研了一些常用的光电探测器，及其工作原理和性能。

光信号转换为电信号主要基于材料的光电效应，爱因斯坦因为利用光量子理论成功解释了光电效应而获得了1921年的诺贝尔物理学奖。广义上说，因为光的入射导致材料的电学效应发生变化的这一类现象，都是光电效应。这主要包括材料因为光入射而发射电子、材料的电导率因为光入射而发生变化、材料因为光入射而产生电动势的变化等。

既然光电探测器就是把光信号转换为电信号，很自然地就会有一些参数才表征这个转换过程。常用的特征参数有：

1) 响应度（Responsibility）

顾名思义，它的大小表示器件光电转换的效率，定义为输出光电流与输入光功率之比。数值越大，表示转换效率越高，具体的公式如下，

其中eta表示量子效率，由此公式可以简单算出响应度的理论最大值。

与响应度经常混淆的一个物理量是灵敏度（sensitivity）, 它表示的是探测器所能探测到的最小光信号。

2) 暗电流（dark current）

它表示探测器在不接受光辐照时的电流大小，它主要电子的无规则热运动引起。通常只能靠温度降低来抑制电子的热运动，从而降低暗电流。

3) 响应时间（Response time）

它主要表征探测器对受调制光信号的响应能力，也就是探测器的频率响应。光信号到来时，探测器不是立马就感知到光信号，而是有一个滞后过程，对应输出电流或电压曲线的上升时间。这个滞后的时间，就是响应时间。

响应时间越短，单位时间能探测到光脉冲的数目越多，探测器的带宽越大。响应时间和探测器的RC参数、材料的吸收系数有关。需要注意的是，这里的带宽不要与探测器工作波长的带宽相混淆。

光电探测器还有一些其他参数，比如工作波长、工作温度、灵敏度、线性度等。

下面列举一些常用的光电探测器。

1）光电倍增管（photomultiplier，简称PMT）

结构示意图如下图所示，当一定波长的光入射到光电阴极时，光子的能量大于阴极材料的功函数时，就会有电子从材料表面发射出来。发射出的电子受电场的加速作用，到达倍增电极，又会激发出新的电子，如此直到电子到达阳极，经过这一系列倍增电极的作用，原先较小的电流会被放大很多倍。整个倍增管内部处于真空环境，用于减少由于电子与气体分子碰撞带来的能量损耗。

光电阴极的材料选取比较重要，它直接决定了探测器的波长相应特性以及探测器的灵敏度。常用的阴极材料有Ag-O-Cs、GaAs:Cs、Sb-Cs。

光电倍增管具有高电流增益、低噪声、响应时间短的性质，可用于测量比较微弱的信号，例如量子光学中的单光子探测器。但是它的结构复杂、体积较为庞大、成本高，并且需要工作在高电压。

2）光敏电阻（photoresistor）

它的主要工作原理是没有光信号入射时，材料的电阻较大；当光信号入射时，材料中的电子被激发到导带，成为自由电子，材料的电导率增大， 对应电阻降低，电路中的电流就会增大。光信号强度的变化导致电路中电流的变化。

(图片来自http://www.elecfans.com/yuanqijian/guangmin/20091201120666.html)

常用的光电阻材料为CdS和InSb。光敏电阻的优点是没有极性的限制，可以在交流电下工作，可探测的波长范围比较宽。它的缺点是响应时间长，频率特性比较差，受温度的影响比较大。

光敏电阻常用于开关控制，比如路灯的自动开关。

3） 光电二极管（photo diode）

当光子在PN结中被吸收后，产生电子-空穴对，受PN结内建电场的作用，电子向阳极运动，空穴向阴极运动，从而产生光电流。当外加电场为反偏时，内建电场增强，光生载流子可以更快速地漂移；另一方面 ，耗尽区的宽度变宽，导致结电容变小，RC时间变短，频率带宽变好。耗尽区宽度变宽后，增加了光吸收的区域，量子转换效率增大。但是随着耗尽区的增大，载流子的渡跃时间会增大，渡跃时间也会影响探测器的频率响应。实际设计时，需综合考虑这些因素的影响。

由于光电二极管没有放大功能，需要结合外部放大电路使用。光电二极管的体积小、成本低、灵敏度高、响应时间短，用途十分广泛。光模块所使用的探测器就是光电二极管。

当所施加的反偏电压非常大时，载流子穿过耗尽区后的动能非常高，以至于导带中的电子与载流子碰撞后，产生新的自由电子，这就是所谓的雪崩效应。雪崩二极管的灵敏度高，频率带宽大，可用于检测微弱的光信号，但是它的暗电流比光电倍增管的暗电流大。

以上简单介绍了几种常用的光电探测器，在光芯片可集成光电二极管用于探测光信号。后续再对芯片上的探测器做详细介绍。

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